南海北部深水井场稳定性评价_刘存革.pdf

书书书第 33 卷第 1 期广东石油化工学院学报Vol 33No 12023 年 2 月Journal of Guangdong University of Petrochemical TechnologyFebruary 2023南海北部深水井场稳定性评价刘存革1，裴健翔2，欧阳敏2，王大伟3，孙金3，吴涛2，王梅1(1 广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000;2 中海石油(中国)有限公司 海南分公司，海南 海口 100028;3 中国科学院 深海科学与工程研究所，海南 三亚 572099)摘要:海底滑坡是海洋中常见的地质灾害，为避免深水油气钻井在钻进过程中触发海底滑坡，需要对井场及周缘地区的海底稳定性进行评价。通过海底滑坡触发因素分析，认为海底土物理力学性质和钻井相关载荷在钻井过程中是触发海底滑坡的重要因素。利用南海北部陆坡区 A 区实际海底地形建立三维模型，构建海底土力学参数与波阻抗的函数关系，将地震反演的波阻抗数据体转换为海底土力学参数数据体。经基于折算强度法的数值模拟法计算出安全系数，定量评估了 A 区海底的稳定性。评价结果表明，A 区中部地区存在潜在滑坡风险，应避免在该区域内部署油气钻井。关键词:安全系数;数值模拟;海底土;海底滑坡;陆坡区;南海北部中图分类号:TE122文献标识码:A文章编号:2095 2562(2023)01 0001 04海洋地质灾害类型众多，包括海底滑坡、深水“三浅”地质灾害(浅水流、浅层气、天然气水合物)、地震海啸、高角度活动断层、海底火山等十余种类型1 3，严重阻碍了海洋中各类资源的开发利用和海洋工程建设。目前，我国首个自营超深水大气田“深海一号”建成投产4，实现了我国海上油气开发从浅水到深水的历史性跨越。随着深水领域钻井的增多，类型多样的海洋地质灾害和油气钻井的安全风险也急剧增加。因此，开展精细的井场调查，进行安全评估是必须开展的工作。虽然海洋地质灾害类型较多，但影响钻井钻进及井场安全的主要为海底滑坡、“三浅”地质灾害5、硬质地层、麻坑等类型。“三浅”地质灾害、硬质地层、麻坑等在钻井开钻前已经客观存在，利用地震资料的相应识别标志、地震属性、海底土采样及静力触探(CPT)等技术、方法可以进行评估1，6，而海底滑坡可能在钻井过程中发生，需要进行定量评价和预测7，技术、方法起到的作用有限8。本文讨论了海底滑坡的触发因素，利用多波束、浅地层剖面资料，结合采集的海底土样品和室内测试数据，以及静力触探获取的地层土体工程参数，通过 FLAC3D 数值模拟软件计算出安全系数，定量评价了南海北部 A 区海底的稳定性，以期为深水复杂海底地质条件下评价钻井井场稳定性提供借鉴。1海底滑坡触发因素分析海底滑坡是海底岩石或海底土在各类触发因素的影响下发生失稳破坏，并在自身重力作用下向斜坡下运动的一种地质现象9，一般集中发生在陆架坡折带及以下海域，这是因为这些区域往往具有一定的坡度2，在外力作用下极易发生滑坡，但较大的坡度不是海底滑坡产生的必要条件1，10。国外学者通过分析海底滑坡发生次数与坡度的关系发现多数滑坡发生时的坡度在 2 10之间11，有时即使坡度小于 1也可能发生滑坡。滑坡包括滑动、滑塌、蠕变、碎屑流等多种运动形式12，13，被很多学者称为块体搬运沉积体系(MTDs)14，是一种重要的海底土搬运机制。收稿日期:2022 05 12;修回日期:2022 06 15基金项目:“十三五”国家科技重大专项(2016ZX05026 02);国家自然科学基金面上项目(42176083);广东石油化工学院人才引进项目(2017rc23);广东省普通高校创新团队项目(2022KCXTD018)作者简介:刘存革(1976)，男，新疆塔城人，博士，教授，主要从事含油气盆地评价研究。通信作者:王大伟(1976)，男，黑龙江绥化人，博士，研究员，主要从事地震沉积学、深水油气和海洋地质灾害研究。海底滑坡发生的根本原因是海底土中的剪应力大于其抗剪强度15，因此导致海底滑坡的原因有两种:一是海底土抗剪强度的降低，这是海底滑坡发生的内在原因;二是剪应力的增加，这是外在因素。海底滑坡的主要触发因素主要包括以下 8 种，滑坡的形成往往是多种触发因素共同作用的结果16。(1)地震和断层活动。地震和断层活动引起海床发生震动，增加了水平和垂直方向的载荷，可能会导致海底土孔隙水压力快速增加，从而降低抗剪强度16，引起海底土液化。(2)海底土欠压实。海底土为多孔介质，抗剪强度很低，含水量很高。当海底土沉积速率大于孔隙水的排出速度，将引起欠压实并导致孔隙压力升高，降低海底土的抗剪强度。因此，海底斜坡在外力扰动下容易发生失稳。(3)天然气水合物分解。天然气水合物在海平面下降、全球变暖、海底施工或者地质构造作用的影响下，会改变天然气水合物的赋存条件，导致其分解。水合物分解产生的大量气体会降低水合物层强度，增加孔隙压力，减小有效应力，从而导致上覆土层的不稳定性。(4)风暴潮、内波和潮汐。风暴潮和潮汐会引起海床压力的变化，进而改变孔隙水压力，可能导致海底土抗剪强度不足而引起海底滑坡，不过通常只会对水深小于 150 300m 的浅水区造成影响。(5)海底火山和泥火山。海底火山和泥火山主要通过增加海底坡度和施加额外载荷引起海底滑坡。(6)底辟作用。盐和泥在上覆压力的作用下发生塑性流动，会改变上覆海底土厚度，从而影响海底土坡度，诱发海底滑坡。(7)重力作用。由于海底斜坡有一定的倾角，海底土在重力作用下在内部形成剪应力，当该剪应力大于抗剪强度时，将诱发海底滑坡，且地层倾角越大，滑坡风险越高。(8)人类活动。尽管绝大多数的海底滑坡是由自然因素导致的，但人类越来越多的活动(岛礁建设、钻井、清淤等)也会导致海底斜坡受力或者力学性质发生改变16，从而引发海底滑坡。2南海北部 A 区地质情况2 1海底地形和水深南海北部大陆架边缘是海底滑坡多发的地区8，油气钻井的海底稳定性评价急需开展。A 区利用多波束测深方法获得了实际的海底地形数据，从图 1 可以看出区内水深由西北向东南逐渐加深，介于 150 900 m 之间。根据海底地形特点，可分为陆架区和滑塌区。(1)陆架区:位于 A 区坡折带以上的大陆架上，水深一般小于 250 m。海底地形总体变化较缓，局部有较多的凸起地形，凸起处海底坡度达 5 10或更高。(2)滑塌区:位于区域大陆架坡折带以下的区域。该区600 m 水深以上水深变化非常剧烈，海底坡度在 10 20间变化，局部可达 25。水深 600 m 以下区域水深变化较为平缓，海底坡度一般小于 5。A 区发育 2 处大型海底峡谷(见图 1)，其横截面宽度均在 6 7 km，为大型海底滑坡及滑坡后形成巨大的峡谷，峡谷间被高出的脊部分割。在峡谷及峡谷下方，分布着峡谷坍塌后留下的陡峭地形、滑坡堆积物及冲沟等，沿堆积物的方向指示了重力流沉积体系中沉积物搬运图 1南海北部 A 区海底地形路径。2 2海底土物理力学性质A 区及邻区海底以下约 5 0 m 深度范围内的海底土物理力学参数已公开发表17，滑塌区海底泥面附近土质不排水抗剪强度较小，向下随深度增加土样抗剪强度逐渐增大。研究区完成了 4 个连续取样的钻孔，终孔深度介于 30 3 120 2 m 之间。如图2 所示，研究区斜坡带区域土质主要以黏性土为主，土质类型主要为钙质黏土、钙质粉质黏土和钙质弹性黏土。不排水抗剪强度基本随入泥深度的增大而图 2南海北部 A 区 A3 孔不排水抗剪强度随深度的变化2广东石油化工学院学报2023 年增大，A3 孔在 32 m 存在一个相对硬的砂层(见图 2)。3南海北部 A 区三维建模根据实际的 A 区海底地形数据(见图1)，建立了三维海底边坡几何模型。三维几何模型宽度为37 km，沿陆坡方向长 9 5 km，模型单元大小为 20 m 20 m，深度方向的单元为 60 个。通过地震反演方法，可以得到 A 区地震数据的波阻抗反演数据体。A 区海底土不排水抗剪切强度可以建立与波阻抗的线性函数关系，将波阻抗反演数据体转化为不排水抗剪强度数据体，得到不同空间位置处的海底土不排水抗剪强度参数(见图 3)，就可以用于海底浅地层稳定性预测和定量评价。为验证不排水抗剪强度数据体的准确性，提取 CPT 测试点处的不排水抗剪强度预测结果，并与实际CPT 测试结果对比。从图 4 可以看出，两者具有较好的一致性，说明预测结果较为可靠。图 3南海北部 A 区海底土不排水抗剪强度空间分布图 4南海北部 A 区不排水抗剪强度预测结果与 CPT 测试结果4南海北部 A 区稳定性分析本次研究采用安全系数 Fs 评价海底斜坡的稳定性。基于强度折减法的数值模拟法是一种将强度折减法与弹塑性数值方法相结合的分析方法，可以计算斜坡的塑性范围、位移、应力等信息10。计算过程中不断增加不排水抗剪强度折减系数 F，如果斜坡达到极限平衡状态，此时对应的强度折减系数 F 就可以作为安全系数 Fs7，从而定量判别斜坡的稳定性。A 区三维模型计算出的安全系数为 1 36。当海底失稳时，A 区中部出现了 1 处塑性屈服破坏区域(图 5 中的颜色较深区域)。深色区域正在发生剪切或拉伸屈服，表明在外部干扰下可能变得不稳定，其他区域当前处于未屈服状态。利用最大剪应变增量可用来识别剪切带，从而判断潜在滑坡体和滑移面。图 6 为 A 区临界失稳时的最大剪切应变增量分布，其位置指示了潜在的滑动面，而潜在滑动面上方的地层是潜在滑坡体。因此，A 区中部存在 1 个潜在滑坡体。在潜在滑坡体区域部署井位，钻井过程中的扰动易触发海底滑坡，建议不要在此区域内部署井位。图 5南海北部 A 区临界失稳时屈服破坏情况图 6南海北部 A 区临界失稳时最大剪应变增量及潜在滑坡体5结论与建议(1)通过海底滑坡触发因素分析，认为海底土物理力学性质和钻井相关载荷在钻井过程中是触发海底滑坡的重要因素。(2)建立了 A 区海底土不排水抗剪切强度与波阻抗的线性函数关系，将波阻抗反演数据体转化为不排水抗剪强度数据体，并提取 CPT 测试点处的不排水抗剪强度预测结果，与实际 CPT 测试结果对比，证实预测结果较为可靠。(3)利用基于强度折减法的数值模拟法计算了研究区的安全系数，评价研究区中部存在 1 个潜在滑坡体，建议此区域内不要部署油气钻井，避免钻井钻进过程中的扰动触发3第 1 期刘存革等:南海北部深水井场稳定性评价海底滑坡。(4)数值模拟法评价海底稳定性的可靠程度依赖于海底土采样点分布和地震资料品质。在海底土性质纵横向变化较大的区域，建议海底土采样点和 CPT 能均匀分布全区，采用最新的地震资料开展反演工作，以使评价结果更接近实际地质情况。参考文献 1吴时国，马林伟，孙金，等 海上丝绸之路大型地质灾害:特点与现状 J 地球物理学进展，2021(1):401 411 2陈珊珊，王中波，张勇，等 东海北部外陆架及邻区灾害地质体特征及成因研究 J 中国地质，2020(5):1512 1529 3孙美静，罗伟东，陈泓君，等 西菲律宾海盆中央裂谷周缘地质灾害特征及诱发因素 J 海洋学报，2022(4):23 35 4李中，谢仁军，吴怡，等 中国海洋油气钻完井技术的进展与展望 J 天然气工业，2021(8):178 185 5孙金，吴时国，邓金根，等 深水钻井浅水流地层井眼坍塌影响因素分析 J 石油钻探技术，2019(2):34 41 6王俊勤，张广旭，陈端新，等 琼东南盆地陵水研究区海底地质灾害类型、分布和成因机制 J 海洋地质与第四纪地质，2019(4):87 95 7欧阳敏，吴涛，李列，等 琼东南陆坡区复杂地形深水井场海底稳定性评估 J 中国海上油气，2020(4):179 189 8孙启良，解习农，吴时国 南海北部海底滑坡的特征、灾害评估和研究展望 J 地学前缘，2021(2):258 270 9HAMPTON M A，LEE H J，LOCAT J Submarine landslides J eviews of Geophysics，1996(1):33 59 10吴涛，李